温-压耦合作用下深层盐岩盖层封闭能力演化特征

doi:10.11743/ogg20230520

摘要/Abstract

摘要：

为了研究温-压耦合作用对盐岩盖层封闭能力演化的影响，选择中国金坛盐洞的盐岩样品，利用高温-高压三轴岩石力学测试系统实验装置，设计开展恒温变压、恒压变温以及温-压耦合3组实验，模拟温度、压力条件对盐岩盖层封闭能力演化的影响。研究结果表明：①温-压耦合作用导致盐岩短期强度大幅减弱，塑性大幅增强，缩短了脆-塑性转化时间，其中，由温度引起的盐岩短期强度降低百分比（T_i ）大于35.06 %；压力引起的盐岩短期强度降低百分比（p_i ）最大只有38.25 %，表明埋藏过程中，盐岩力学性质主要受控于温度。②单一压力作用下，盐岩裂缝具有逐渐减少、愈合的趋势；而温-压耦合作用下，盐岩会出现“裂缝再次发育”现象，其中，低温阶段（温度<90 ℃），压力占主导地位，高温阶段（温度≥90 ℃），温度占主导地位，盐岩出现蠕变损伤。③建立“深层盐岩”脆性—脆-塑性—塑性—蠕变损伤—损伤愈合”演化模式，其中，蠕变损伤阶段对于盐下油气藏的保存极为不利。因此，准确厘定盐岩封闭能力的演化特征可为深层盐下油气藏的富集规律分析提供理论依据。

关键词: 温-压耦合, 三轴应力-应变实验, 脆-塑性转化, 热损伤, 封闭能力演化, 深层盐岩盖层

Abstract:

Three sets of experiments， including constant temperature-variable-pressure， variable temperature-constant pressure， and temperature-pressure coupling， were executed to simulate the influence of temperature and pressure conditions on the evolution of salt rock cap sealing ability using the experimental device of high temperature and high pressure triaxial rock mechanics testing system on salt rock samples from Jintan Salt Cave， China. The results indicate that： ① The coupling effect of temperature and pressure leads to a significant reduction in short-term strength， significant enhancement of plasticity of salt rock， and shortening of brittle-to-plastic transition time. The percentage （T_i ） of short-term strength reduction of salt rock caused by temperature is greater than 35.06 % while the maximum short-term strength reduction percentage （P_i ） of salt rock caused by pressure is only 38.25 %， indicating that the mechanical properties of salt rock are mainly controlled by temperature during the burial process. ② Under a single pressure， salt rock fractures have a trend of gradually decreasing and healing； while under the coupling of temperature and pressure， the salt rock will experience a phenomenon of “re-cracking”， with pressure dominating the low temperature stage （temperature < 90 ℃） and temperature dominating the high temperature stage （temperature ≥ 90 ℃）， resulting in creep damage to the salt rock. ③ An evolutionary model of “brittleness—brittleness-plasticity—plasticity—creep damage—damage healing” was established for deep salt rocks. Under the coupling of temperature and pressure， the creep damage stage is extremely unfavorable for the preservation of oil and gas reservoirs under high temperature conditions. Therefore， accurately determining the evolution characteristics of salt rock sealing ability can provide a theoretical basis for analyzing the enrichment patterns of deep pre-salt oil and gas reservoirs.

Key words: temperature-pressure coupling, triaxial stress-strain experiment, brittle-plastic transition, thermal damage, sealing capacity evolution, deep salt caprock

中图分类号:

TE122.2

赵珊,刘华,杨宪章,等. 温-压耦合作用下深层盐岩盖层封闭能力演化特征[J]. 石油与天然气地质, 2023, 44(5): 1321-1332. doi: 10.11743/ogg20230520 Shan ZHAO,Hua LIU,Xianzhang YANG,et al. Evolutionary characteristics of sealing capacity of deep salt caprocks under temperature-pressure coupling[J]. Oil & Gas Geology, 2023, 44(5): 1321-1332. doi: 10.11743/ogg20230520

图/表 14

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参考文献 33

1	TRIPPETTA F， COLLETTINI C， MEREDITH P G， et al. Evolution of the elastic moduli of seismogenic Triassic Evaporites subjected to cyclic stressing［J］. Tectonophysics， 2013， 592： 67-79.
2	朱彦先，何生，何治亮，等.川东南地区中—下寒武统膏岩层系分布特征及其影响因素［J］. 石油实验地质， 2020， 42（6）： 910-919.
	ZHU Yanxian， HE Sheng， HE Zhiliang， et al. Distribution characteristics and influencing factors of Middle-Lower Cambrian gypsum in southeastern Sichuan Basin［J］.Petroleum Geology & Experiment， 2020， 42（6）： 910-919.
3	樊奇，樊太亮，李清平，等. 塔里木盆地寒武系膏盐岩沉积特征与发育模式［J］. 石油实验地质， 2021， 43（2）： 217-226.
	FAN Qi， FAN Tailiang， LI Qingping， et al. Sedimentary characteristics and development model of Cambrian gypsum-salt rocks， Tarim Basin［J］. Petroleum Geology & Experiment， 2021， 43（2）： 217-226.
4	REZAEYAN A， TABATABAEI-NEJAD S A， KHODAPANAH E， et al. A laboratory study on capillary sealing efficiency of Iranian shale and anhydrite caprocks［J］. Marine and Petroleum Geology， 2015， 66（Part 4）： 817-828.
5	宋金鹏，田盼盼，代俊杰，等. 塔里木盆地库车坳陷膏盐岩分布特征及油气地质意义［J］. 断块油气田， 2021， 28（6）： 800-804.
	SONG Jinpeng， TIAN Panpan， DAI Junjie， et al. Distribution characteristics of gypsum-salt rock and petroleum geological significance in Kuqa Depression of Tarim Basin［J］. Fault-Block Oil and Gas Field， 2021， 28（6）： 800-804.
6	TEIGE G M G， HERMANRUD C， THOMAS W H， et al. Capillary resistance and trapping of hydrocarbons： A laboratory experiment［J］. Petroleum Geoscience， 2005， 11（2）： 125-129.
7	金之钧，周雁，云金表，等. 我国海相地层膏盐岩盖层分布与近期油气勘探方向［J］. 石油与天然气地质， 2010， 31（6）： 715-724.
	JIN Zhijun， ZHOU Yan， YUN Jinbiao， et al. Distribution of gypsum-salt cap rocks and near-term hydrocarbon exploration targets in the marine sequences of China［J］. Oil & Gas Geology， 2010， 31（6）： 715-724.
8	DU Jinhu， PAN Wenqing. Accumulation conditions and play targets of oil and gas in the Cambrian subsalt dolomite， Tarim Basin， NW China［J］. Petroleum Exploration and Development， 2016， 43（3）： 360-374.
9	FENG Xiaoyue， XUE Fengning， ZHAO Pengbo， et al. The electronic structure， elastic properties， dynamical stability and thermoelectric properties of rock-salt and orthorhombic phases of CdS： First-principles calculations［J］. Solid State Communications， 2022， 353： 114878.
10	LI Chun， HU Yaoqing， MENG Tao， et al. Mode-I fracture toughness and mechanisms of salt-rock gypsum interlayers under real-time high-temperature conditions［J］. Engineering Fracture Mechanics， 2020， 240： 107357.
11	KIBIKAS W M， GHASSEMI A， CARPENTER B M. Evaluating the mechanical properties of carbonate and evaporite caprocks in the Sichuan Basin［J］. Journal of Asian Earth Sciences， 2021， 6： 100063.
12	DONG Zhikai， LI Yinping， LI Haoran， et al. Influence of loading history on creep behavior of rock salt［J］. Journal of Energy Storage， 2022， 55（Part A）： 105434.
13	MA Linjian， WANG Yunxiao， WANG Mingyang， et al. Mechanical properties of rock salt under combined creep and fatigue［J］. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences， 2021， 141： 104654.
14	LIU Wei， LI Yinping， YANG Chunhe， et al. Permeability characteristics of mudstone cap rock and interlayers in bedded salt formations and tightness assessment for underground gas storage caverns［J］. Engineering Geology， 2015， 193： 212-223.
15	LIAO Zonghu， WU Mengni， CHEN Xiaofeng， et al. Fracture mechanical properties of carbonate and evaporite caprocks in Sichuan Basin， China with implications for reservoir seal integrity［J］. Marine and Petroleum Geology， 2020， 119： 104468.
16	Cheng LYU， LIU Jianfeng， REN Yi， et al. Mechanical characteristics and permeability evolution of salt rock under thermal-hydro-mechanical （THM） coupling condition［J］. Engineering Geology， 2022， 302： 106633.
17	李双建，孙冬胜，周雁，等. 一种获取塑性指数的方法： CN201510117142.0［P］. 2016-10-12.
	LI Shuangjian， SUN Dongsheng， ZHOU Yan， et al. A method for obtaining plasticity index： CN201510117142.0［P］. 2016-10-12.
18	林潼，王铜山，潘文庆，等. 埋藏过程中膏岩封闭有效性演化特征——以塔里木盆地寒武系深层膏岩盖层为例［J］. 石油与天然气地质， 2021， 42（6）： 1354-1364.
	LIN Tong， WANG Tongshan， PAN Wenqing， et al. Evaluation of sealing effectiveness of gypsolyte during burial： A case study of the gypsolyte caprock in deep Cambrian， Tarim Basin［J］. Oil & Gas Geology， 2021， 42（6）： 1354-1364.
19	HUNSCHE U， ALBRECHT H. Results of true triaxial strength tests on rock salt［J］. Engineering Fracture Mechanics， 1990， 35（4/5）： 867-877.
20	刘绘新，张鹏，盖峰. 四川地区盐岩蠕变规律研究［J］. 岩石力学与工程学报， 2002， 21（9）： 1290-1294.
	LIU Huixin， ZHANG Peng， GE Feng. Study on creep rule of salt rock in Sichuan region［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2002， 21（9）： 1290-1294.
21	陈结，刘剑兴，姜德义，等. 围压作用下盐岩应变与损伤恢复试验研究［J］. 岩土力学， 2016， 37（1）： 105-112.
	CHEN Jie， LIU Jianxing， JIANG Deyi， et al. An experimental study of strain and damage recovery of salt rock under confining pressures［J］. Rock and Soil Mechanics， 2016， 37（1）： 105-112.
22	康燕飞，陈结，姜德义，等. 不同温度条件下盐岩卤水浸泡后损伤自恢复特性［J］. 岩土力学， 2019， 40（2）： 601-609.
	KANG Yanfei， CHEN Jie， JIANG Deyi， et al. Damage self-healing property of salt rock after brine immersion under different temperatures［J］. Rock and Soil Mechanics， 2019， 40（2）： 601-609.
23	康燕飞，陈结，姜德义，等. 盐岩损伤自愈合特性研究综述［J］. 岩土力学， 2019， 40（1）： 55-69.
	KANG Yanfei， CHEN Jie， JIANG Deyi， et al. Summary on damage self-healing property of rock salt［J］. Rock and Soil Mechanics， 2019， 40（1）： 55-69.
24	王军保，刘新荣，郭建强，等. 盐岩蠕变特性及其非线性本构模型［J］. 煤炭学报， 2014， 39（3）： 445-451.
	WANG Junbao， LIU Xinrong， GUO Jianqiang， et al. Creep properties of salt rock and its nonlinear constitutive model［J］. Journal of China Coal Society， 2014， 39（3）： 445-451.
25	WANG Guijun， ZHANG Lei， ZHANG Yuwen， et al. Experimental investigations of the creep-damage-rupture behaviour of rock salt［J］. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences， 2014， 66： 181-187.
26	WANG Haixue， WU Tong， FU Xiaofei， et al. Quantitative determination of the brittle-ductile transition characteristics of caprocks and its geological significance in the Kuqa Depression， Tarim Basin， western China［J］. Journal of Petroleum Science & Engineering， 2019， 173： 492-500.
27	WANG Sheng， ZHAO Wanchun， FU Xiaofei， et al. A Universal method for quantitatively evaluating rock brittle-ductile transition behaviors［J］. Journal of Petroleum Science and Engineering， 2020， 195： 107774.
28	纪文栋，杨春和，刘伟，等. 层状盐岩细观孔隙特性试验研究［J］. 岩石力学与工程学报， 2013， 32（10）： 2036-2044.
	JI Wendong， YANG Chunhe， LIU Wei， et al. Experimental investigation on meso-pore structure properties of bedded salt rock［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2013， 32（10）： 2036-2044.
29	WANG Fuwei， CHEN Dongxia， WANG Qiaochu， et al. Quantitative evaluation of caprock sealing controlled by fault activity and hydrocarbon accumulation response： K gasfield in the Xihu Depression， East China Sea Basin［J］. Marine and Petroleum Geology， 2021， 134： 105352.
30	吴桐，付晓飞，王海学，等. 膏盐岩脆塑性变形特征及封闭能力定量评价［J］. 地质论评， 2016， 62（1）： 127-137.
	WU Tong， FU Xiaofei， WANG Haixue， et al. Brittle ductile deformation characteristics of anhydrite-salt rock and quantitative evaluation of its sealing ability［J］. Geological Review， 2016， 62（1）： 127-137.
31	孟庆强，李京洲，刘文汇，等. 膏盐岩含量对成熟阶段页岩生烃影响的模拟实验［J］. 特种油气藏， 2022， 29（5）： 113-118.
	MENG Qingqiang， LI Jingzhou， LIU Wenhui， et al.Simulation Study on the Effect of Gypsum-salt Content on Hydrocarbon Generation in Mature Stage Shale［J］. Special Oil & Gas Reservoirs， 2022， 29（5）： 113-118.
32	康洪全，孟金落，程涛，等. 巴西坎波斯盆地深水沉积体系特征［J］. 石油勘探与开发， 2018， 45（1）： 93-104.
	KANG Hongquan， MENG Jinluo， CHENG Tao， et al. Characteristics of deep water depositional system in Campos Basin， Brazil［J］. Petroleum Exploration and Development， 2018， 45（1）： 93-104.
33	黄文松，徐芳，刘成彬，等. 深水盐下湖相碳酸盐岩缝洞地震预测——以巴西桑托斯盆地F油田为例［J］. 石油与天然气地质， 2022， 43（2）： 445-455， 488.
	HUANG Wensong， XU Fang， LIU Chengbin， et al. Seismic prediction of fractures and vugs in deep-water sub-salt lacustrine carbonates：Taking F oilfield in Santos Basin， Brazil as an example［J］. Oil & Gas Geology， 2022， 43（2）： 445-455.

实验项目	样品编号	围压/MPa	设定温度/℃	样品质量/g	高度/mm	直径/mm
恒温变压	S1	5	20	52.84	50.49	24.91
	S2	10	20	53.39	50.05	24.88
	S3	30	20	52.55	50.11	24.98
	S4	60	20	52.33	50.11	25.05
	S5	80	20	52.54	50.59	24.92
恒压变温	S6	20	40	—	—	—
	S7	20	60	—	—	—
	S8	20	80	—	—	—
	S9	20	100	—	—	—
温-压耦合	S10	5	30	53.91	50.07	24.86
	S11	10	40	52.73	50.11	24.90
	S12	30	85	53.13	50.54	24.94
	S13	60	150	52.50	50.07	24.94

实验条件	样品编号	围压/MPa	温度/℃	盐岩强度/MPa
恒温变压	S1	5	20	35.35*
	S2	10	20	43.57
	S3	30	20	41.07
	S4	60	20	37.50
	S5	80	20	29.64
恒压变温	S6	20	40	30.83
	S7	20	60	27.42
	S8	20	80	22.76
	S9	20	100	17.09
温-压耦合	S10	5	30	35.59
	S11	10	40	31.19
	S12	30	85	13.90
	S13	60	150	10.84

项目	样品编号	围压/ MPa	温度/ ℃	弹性模量（E）/ GPa	峰值后软化模量（M） / GPa	BDI
恒温变压	S1	5	20	3.73	-2.06	0.36
	S2	10	20	2.59	3.41	4.13
	S3	30	20	2.28	2.75	5.90
	S4	60	20	1.51	1.79	6.42
	S5	80	20	1.41	1.56	10.52
温-压耦合	S10	5	30	1.98	2.28	7.46
	S11	10	40	1.80	2.01	9.61
	S12	30	85	1.10	1.22	10.15
	S13	60	150	0.39	0.43	11.02

[1]	李一波, 陈耀旺, 赵金洲, 王志强, 魏兵, Valeriy Kadet. 超临界二氧化碳与页岩相互作用机制[J]. 石油与天然气地质, 2024, (): 1-15.
[2]	郭原草, 郭建华, 劳海港, 李智宇, 余烨, 陈广, 吴诗情, 黄俨然. 琼东南盆地松南低凸起YA区花岗岩潜山风化壳储层特征及发育控制因素[J]. 石油与天然气地质, 2024, (): 1-13.
[3]	方锐, 蒋裕强, 杨长城, 邓海波, 蒋婵, 洪海涛, 唐松, 谷一凡, 朱讯, 孙莎莎, 蔡光银. 四川盆地侏罗系凉高山组不同岩性组合页岩油赋存状态及可动性[J]. 石油与天然气地质, 2024, 45(3): 752-769.
[4]	李宁, 李瑞磊, 苗贺, 曹开芳, 田军. 松辽盆地深层中-基性火山岩有利相带及储层“甜点”逐级识别[J]. 石油与天然气地质, 2024, 45(3): 801-815.
[5]	杜晓宇, 金之钧, 曾联波, 刘国平, 杨森, 梁新平, 陆国青. 基于成像测井的深层陆相页岩油储层天然裂缝有效性评价[J]. 石油与天然气地质, 2024, 45(3): 852-865.
[6]	丁文龙, 李云涛, 韩俊, 黄诚, 王来源, 孟庆修. 碳酸盐岩储层高精度构造应力场模拟与裂缝多参数分布预测方法及其应用[J]. 石油与天然气地质, 2024, 45(3): 827-851.
[7]	韩鹏远, 丁文龙, 杨德彬, 张娟, 马海陇, 王生晖. 塔里木盆地塔河油田S80走滑断裂发育特征及其对奥陶系储层的控制作用[J]. 石油与天然气地质, 2024, 45(3): 770-786.
[8]	徐海轩, 李江海. 断裂岩石排替压力预测方法的改进及其应用[J]. 石油与天然气地质, 2024, 45(3): 866-872.
[9]	何骁, 郑马嘉, 刘勇, 赵群, 石学文, 姜振学, 吴伟, 伍亚, 宁诗坦, 唐相路, 刘达东. 四川盆地“槽-隆”控制下的寒武系筇竹寺组页岩储层特征及其差异性成因[J]. 石油与天然气地质, 2024, 45(2): 420-439.
[10]	付超, 谢玉洪, 赵雨初, 王晖, 苑志旺, 徐伟, 陈国宁. 深水峡谷上游复合浊积砂岩储层类型及其展布规律[J]. 石油与天然气地质, 2024, 45(2): 516-529.
[11]	曹江骏, 王继平, 张道锋, 王龙, 李笑天, 李娅, 张园园, 夏辉, 于占海. 深层致密砂岩储层成岩演化对含气性的影响[J]. 石油与天然气地质, 2024, 45(1): 169-184.
[12]	张益, 张斌, 刘帮华, 柳洁, 魏千盛, 张歧, 陆红军, 朱鹏宇, 王瑞. 页岩气储层吸附渗流研究现状及发展趋势[J]. 石油与天然气地质, 2024, 45(1): 256-280.
[13]	远光辉, 彭光荣, 张丽丽, 孙辉, 陈淑慧, 刘浩, 赵晓阳. 珠江口盆地白云凹陷古近系深层高变温背景下储层成岩作用与低渗致密化机制[J]. 石油与天然气地质, 2024, 45(1): 44-64.
[14]	曾联波, 巩磊, 宿晓岑, 毛哲. 深层-超深层致密储层天然裂缝分布特征及发育规律[J]. 石油与天然气地质, 2024, 45(1): 1-14.
[15]	胡宗全, 王濡岳, 路菁, 冯动军, 刘粤蛟, 申宝剑, 刘忠宝, 王冠平, 何建华. 陆相页岩及其夹层储集特征对比与差异演化模式[J]. 石油与天然气地质, 2023, 44(6): 1393-1404.